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Raumfahrt - Licht soll auf eine mehrere Millionen Kilometer lange Reise geschickt werden

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ESA’s Asteroid Impact Mission concept, currently under study, would be humanity’s first mission to a binary asteroid: the 800 m-diameter Didymos is accompanied by a 170 m-diameter secondary body. AIM would send science results back to Earth via a high-bandwidth laser link.
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Stellen Sie sich vor, dass Licht über mehrere Millionen Kilometer durch leeren Raum bis zur Erde geschickt wird. Die geplante Asteroid Impact Mission (AIM) der ESA hat genau das vor: Laserkommunikation durch eine beispiellose Leere zu ermöglichen.
Die Asteroid Impact Mission, deren genauer Entwurf derzeit noch ausgearbeitet wird und über deren Umsetzung der ESA-Ministerrat im Dezember 2016 entscheiden wird, ist eine Weltraummission zur Technologiedemonstration und wäre zudem die erste Sonde der Menschheit zu einem Doppelasteroiden.
Zu den innovativen Technologien gehört die Laserkommunikation, die den Wissenschaftlern um ein Vielfaches schneller Ergebnisse übermitteln könnte als gewöhnliche Funksignale.
„Die optische Kommunikation im Allgemeinen stellt für den Weltraum noch keine etablierte Technologie dar. Das EDRS-System (European Data Relay System) der ESA wird die erste kommerzielle Anwendung sein“, erläutert ESA-Optikingenieur Zoran Sodnik. 
„Die Funktionsweise ist im Prinzip ähnlich wie bei einem Morse-Code, mit kodierten, rasch aufeinanderfolgenden Blinkimpulsen. Das ERDS mit Satelliten in hohen Erd-Umlaufbahnen wird Laserlinks dazu verwenden, um Umweltdaten von den europäischen Sentinel-Erdbeobachtungssatelliten mit niedrigeren Umlaufbahnen auf Echtzeit-Basis zur Erde zu übertragen - eine Technik, die zuvor mit den ESA-Telekommunikationsmissionen Alphasat und Artemis demonstriert wurde.
2013 war die Optische Bodenstation der ESA auf Teneriffa an einem zweiseitigen Kontakt mit der NASA-Mondsonde LADEE über 400 000 km beteiligt.
Doch AIM wird noch viel weiter gehen müssen: Wir legen eine maximale Reichweite von 75 Millionen Kilometer fest, das ist die Hälfte der Distanz zwischen der Erde und der Sonne. Das hört sich vielleicht weit an, doch die Aktivitäten rund um den Mars werden eines Tages viel größere Distanzen beinhalten.“
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Optical ray tracing diagram of the Asteroid Impact Mission's laser-based optical communication terminal. The laser signal originates from the lens at bottom right, then spreads out to go out into space as a broad, 135 mm-diameter beam towards Earth.
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Ein Laserstrahl, der vom AIM-Laserteleskop mit einem Durchmesser von 13,5 Zentimeter über eine solche Distanz zurückgeworfen wird, hätte auf der Erde einen Fußabdruck von ca. 1 100 Kilometern – weiter als von London nach Berlin. Das ist zwar viel, aber der entsprechende Funkstrahl, der über den Weltraum ausgesendet würde, wäre breiter als unser gesamter Planet.
„Die deutlich höhere Frequenz von Laserlicht ermöglicht uns eine höhere Richtwirkung und somit eine erhöhte Bandbreite“, ergänzt ESA-Laseringenieur Clemens Heese.
„Gleichzeitig gehe viele Photonen auf dem Weg verloren, sodass wir fortschrittliche Photonenzählmethoden anwenden müssen, um das Signal mit unserem Empfängerteleskop, das einen Durchmesser von rund einem Meter hat, verlässlich zu entdecken.“
„Während die Funkkommunikation eine sehr ausgereifte Technologie ist und mit fast optimaler Effizienz arbeitet, gibt es im Bereich der optischen Kommunikation noch Entwicklungsspielraum. Diesen Weg müssen wir beschreiten, um die Menge und die Geschwindigkeit der Daten, die wir den Wissenschaftlern liefern können, erheblich zu steigern.“
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, hat das AIM-Team der ESA in diesem Monat Technologie-Vorentwicklungsverträge für die Industrie erstellt, um zentrale Themen wie das Teleskopdesign, Detektorelektronik und Grob- und Feinausrichtungssysteme anzugehen. Um einen Eindruck von der erforderlichen Ausrichtung zu vermitteln, muss sich AIM am Signal von der Erde bis im Bereich des Durchmessers des Planeten Mars ausrichten, der am terrestrischen Himmel zu sehen ist.
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ESA’s Asteroid Impact Mission will carry a powerful laser communication terminal to return scientific data to Earth. The laser can also be used for scientific purposes, such as laser altimetry to map the asteroid.
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„Mit 39,3 Kilogramm wird das AIM-Lasersystem eines der größten einzelnen Nutzlastobjekte sein“, erklärt Andres Galvez, Leiter der Science Analysis and System Support Unit bei der ESA.
„Wir möchten größtmöglichen Nutzen erzielen, indem wir es auch für wissenschaftliche Zwecke verwenden: Der Laser kann auch als Höhenmesser für die Erfassung des Asteroiden dienen.“
Das Systemdesign erfolgt unter der Federführung von RUAG Space in der Schweiz. Das Unternehmen baut auf seiner bestehenden Reihe von Optel-Laserkommunikationsterminals auf, von denen der neueste auf Verbindungen von Minisatelliten direkt zur Erde zugeschnitten ist.
Quelle: ESA
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